WO2018079277A1 - エアタービン駆動スピンドル - Google Patents

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WO2018079277A1
WO2018079277A1 PCT/JP2017/036961 JP2017036961W WO2018079277A1 WO 2018079277 A1 WO2018079277 A1 WO 2018079277A1 JP 2017036961 W JP2017036961 W JP 2017036961W WO 2018079277 A1 WO2018079277 A1 WO 2018079277A1
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WO
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bearing member
bearing
rotating shaft
thrust
air turbine
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/036961
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English (en)
French (fr)
Inventor
照悦 堀内
Original Assignee
Ntn株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B5/00—Electrostatic spraying apparatus; Spraying apparatus with means for charging the spray electrically; Apparatus for spraying liquids or other fluent materials by other electric means
    • B05B5/025—Discharge apparatus, e.g. electrostatic spray guns
    • B05B5/04—Discharge apparatus, e.g. electrostatic spray guns characterised by having rotary outlet or deflecting elements, i.e. spraying being also effected by centrifugal forces
    • B05B5/0415—Driving means; Parts thereof, e.g. turbine, shaft, bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/06—Adaptations for driving, or combinations with, hand-held tools or the like control thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/16—Arrangement of bearings; Supporting or mounting bearings in casings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/02—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being an unheated pressurised gas

Definitions

  • This invention relates to an air turbine drive spindle applied to an electrostatic coating apparatus or the like.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 9-72338 discloses a spindle in which a bearing member that rotatably supports a rotating shaft is held in a housing.
  • An O-ring is disposed between the bearing member and the housing, and the bearing member is supported in the radial direction of the rotating shaft by the elastic force of the O-ring.
  • One end face of the bearing member faces the end face of the flange of the rotating shaft, and a thrust bearing that supports the rotating shaft in the thrust direction is formed between both end faces.
  • the other end surface of the bearing member faces the end surface of the side cover of the housing, and a thrust direction gap is formed between both end surfaces.
  • the vibration in the thrust direction can be absorbed by the bearing member moving within the range of the thrust direction clearance when the rotating shaft rotates.
  • the moving range of the bearing member also increases. In such a case, if the bearing member moves beyond the range of the gap in the thrust direction, the bearing member may come into contact with the housing. Therefore, the conventional spindle cannot stably rotate the rotating shaft at high speed.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an air turbine drive spindle capable of stably rotating a rotating shaft at a high speed.
  • the air turbine drive spindle includes a rotating shaft, a bearing member, an outer member, and an O-ring.
  • the rotating shaft has a front end portion and a rear end portion located on the opposite side of the front end portion.
  • a bearing member is arrange
  • the outer member surrounds at least a portion of the bearing member.
  • the O-ring is disposed between the outer member and the bearing member, and supports the bearing member in the radial direction of the rotation shaft with respect to the outer member.
  • a thrust bearing that supports the rotating shaft in the thrust direction is formed between a first end surface facing the rotating shaft and a rear end portion of the rotating shaft in the bearing member.
  • a gap is formed in the thrust direction between the second end face located on the opposite side of the first end face in the bearing member and the outer member.
  • the bearing member is configured to ensure a gap during rotation of the rotating shaft.
  • an air turbine drive spindle capable of stably rotating a rotating shaft at a high speed.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an air turbine drive spindle 200 according to the present embodiment.
  • the air turbine drive spindle 200 includes a rotary shaft 1 having a front end portion 1a and a rear end portion 1b located on the opposite side of the front end portion, a housing assembly 2 that rotatably supports the rotary shaft 1, and a rear end of the rotary shaft 1.
  • a bearing member 50 disposed on the end 1b side, and an outer member 65 surrounding the rotating shaft 1, the housing assembly 2, and the bearing member 50 are provided.
  • the rotating shaft 1 includes a shaft portion 1c having a cylindrical shape and a thrust plate portion 1d formed so as to extend in the radial direction (radial direction) with respect to the shaft portion 1c.
  • the thrust plate 1d is formed on the rear end 1b side of the shaft 1c in the thrust direction (axial direction).
  • front side the front end portion 1a side of the rotary shaft 1
  • rear end portion 1b side of the rotary shaft 1 is referred to as “rear side”.
  • a through hole 17 extending in the thrust direction is formed in the shaft portion 1c and the thrust plate portion 1d.
  • a conical cup 80 is attached to the distal end portion 1 a side of the rotating shaft 1.
  • a paint supply pipe 45 for supplying paint to the cup 80 is disposed inside the through hole 17.
  • the cup and the paint supply pipe 45 are arranged, but either one or both of the cup and the paint supply pipe 45 may not be arranged.
  • the thrust plate 1d is formed with a rotating blade 15 and a rotation detection unit (not shown) disposed on the inner peripheral side of the rotating blade 15.
  • the thrust plate portion 1d of the rotating shaft 1 has a region (thin portion) in which the region located on the outer peripheral side in the radial direction is thinner in the thrust direction than the region (thick portion) located on the rotation center axis side (center side). have.
  • the thick part is formed so as to surround the through hole 17.
  • the thin portion is formed so as to surround the thick portion.
  • the rotor blade 15 is formed on the thin wall portion of the thrust plate portion 1d so as to extend from the rear surface to the front side in the thrust direction.
  • the rotating shaft 1 is rotatable when a rotary blade 15 receives gas (referred to as driving gas) ejected from a driving gas supply unit (not shown) through a driving gas supply port 12 described later.
  • the driving gas is, for example, compressed air.
  • the plurality of rotor blades 15 are provided at intervals in the rotation direction of the rotary shaft 1. Preferably, in the plurality of rotor blades 15, adjacent rotor blades 15 are provided at equal intervals.
  • the plurality of rotor blades 15 are arranged along the outer periphery of the thrust plate portion 1d.
  • vertical to the thrust direction of the some rotary blade 15 should just be arbitrary shapes.
  • the cross-sectional shape includes a front curved surface portion that is positioned forward in the rotational direction and formed convex in the rotational direction, and a rear curved surface that is positioned rearward in the rotational direction and formed convex in the rotational direction Part.
  • the boundary region between the thin portion and the thick portion is provided so that the thickness in the thrust direction changes gently. That is, the surface located on the front side of the thrust plate portion 1d has a curved surface between the thin portion and the thick portion.
  • the portion located on the front side of the rotary blade 15 and the portion located on the front side in the thick wall portion are formed on the same surface extending in the radial direction.
  • a rotation detector (not shown) is formed on the rear surface of the thin portion of the thrust plate 1d.
  • the rotation detection unit can adopt an arbitrary configuration for optically detecting the rotation of the rotation shaft 1, but for example, the surface treatment is performed so that the reflectance is different for each of a plurality of regions divided in the rotation direction. It may be given. Specifically, of the surface located on the rear side in the thin portion, the intensity of the reflected light when half of the region in the rotation direction of the rotation shaft 1 is irradiated with light such as laser light than the other half of the region. Is provided to be higher.
  • the housing assembly 2 accommodates at least a part of the rotating shaft 1.
  • the housing assembly 2 includes a housing 3 and a bearing sleeve 4.
  • the bearing sleeve 4 faces each part of the outer peripheral surface of the shaft portion 1c of the rotating shaft 1 and the front plane of the thrust plate portion 1d, and is formed so as to surround a portion of the shaft portion 1c.
  • the housing 3 is disposed on the outer peripheral side of the bearing sleeve 4 in the radial direction and is fixed to the bearing sleeve 4.
  • the housing 3 surrounds at least a part of the outer peripheral surface of the shaft portion 1 c from the outer peripheral side of the bearing sleeve 4.
  • the outer member 65 includes a cover member 5 and a nozzle plate 6.
  • the cover member 5 is fixed to the nozzle plate 6 in the thrust direction.
  • the nozzle plate 6 is formed so as to surround portions of the rotating shaft 1 that are not accommodated in the housing assembly 2 and the cover member 5 (the rear end portion 1b side of the rotating shaft 1 and the outer peripheral end surface in the radial direction of the thrust plate portion 1d). Has been.
  • a driving air supply path 13 and a driving air supply nozzle 14 are formed in the nozzle plate 6, a driving air supply path 13 and a driving air supply nozzle 14 are formed.
  • One end of the drive air supply path 13 communicates with the drive gas supply port 12 on the inner peripheral surface of the nozzle plate 6, and the other end communicates with the drive air supply nozzle 14.
  • the driving gas supply port 12 is supplied with driving gas from the driving gas supply unit.
  • the drive air supply path 13 and the drive air supply nozzle 14 are flow passages for supplying the rotary blade 15 with drive gas.
  • the driving air supply nozzle 14 can eject driving gas from the outer peripheral side of the rotary shaft 1 toward the inner peripheral side in the radial direction with respect to the rotary blade 15.
  • a plurality of the drive air supply passages 13 and the drive air supply nozzles 14 may be formed at intervals in the rotational direction. That is, the drive air supply path 13 and the drive air supply nozzle 14 can simultaneously supply the drive gas in the same rotation direction to the rotor blades 15 provided at an arbitrary interval in the rotation direction. There may be.
  • the driving gas supply port 12 communicates with the exhaust hole 11 formed in the cover member 5 through the exhaust path 21 and the exhaust space 20.
  • the driving gas supplied from the driving gas supply port 12 changes its direction at the R-shaped portion 21a of the thrust plate portion 1d, flows into the exhaust space 20, and is exhausted to the outside through the exhaust hole 11.
  • the driving gas supplied from the driving gas supply port 12 is configured to exhaust to the outside through the same space as the through hole 17 or the space communicating with the through hole 17, the driving gas May flow into the through-hole 17.
  • the driving gas flows into the through hole 17, the driving gas reaches the cup 80 and there is a risk of pushing out the paint. In this case, the uniformity of the atomization of the paint may be impaired, and the coating quality may be deteriorated.
  • a rotation sensor insertion port 18 is formed on the outer peripheral side in the radial direction from the through hole 17.
  • the rotation sensor insertion port 18 is formed so as to face the rotation detection unit installed in the thrust plate 1d in the thrust direction.
  • the rotation sensor insertion port 18 is formed to arrange a rotation sensor for irradiating light to the rotation detection portion such as laser light and obtaining reflected light.
  • a bearing air supply path 10 is formed inside the cover member 5.
  • One end of the bearing air supply passage 10 communicates with the bearing gas supply port 9 on the outer peripheral surface of the cover member 5, and the other end communicates with the interior of the housing assembly 2.
  • a gas (referred to as bearing gas) is supplied from the supply unit 100 to the bearing gas supply port 9.
  • Supply unit 100 is, for example, an air compressor.
  • the bearing gas is, for example, compressed air.
  • the supply unit 100 may also serve as a driving gas supply unit that supplies a driving gas from the driving gas supply port 12.
  • a gap 41 is formed between the cover member 5 and the housing 3.
  • a gap 42 is formed between the shaft portion 1 c of the rotary shaft 1 and the bearing sleeve 4.
  • a gap 43 is formed between the thrust plate portion 1 d of the rotary shaft 1 and the bearing sleeve 4.
  • the bearing air supply passage 10 communicates with each of the gaps 41 to 43. A so-called restriction is formed because the hole diameter of the portion communicating with the air gap 42 and the air gap 43 in the bearing air supply passage 10 is smaller than the hole diameter of the bearing gas air inlet 9.
  • a plurality of grooves 61 to 63 with which the O-ring 24 is engaged are formed on the outer peripheral surface 3 a of the housing 3.
  • the groove 61 and the groove 62 are arranged so as to sandwich the air supply path 10 for the bearing in the thrust direction.
  • the O-ring 24 is a member having elasticity.
  • a material of the O-ring 24 for example, a material having high resistance to a solvent is preferably used.
  • a perfluoroelastomer that is a fluorine-based rubber can be used as the material.
  • the bearing gas eventually reaches the groove 61 and the groove 62.
  • the bearing gas that has reached the groove 61 and the groove 62 pushes the O-ring 24 that engages with each of the groove 61 and the groove 62 in a low pressure direction (a direction away from the bearing air supply path 10).
  • the O-ring 24 that engages with each of the groove 61 and the groove 62 is pushed out by the bearing gas, thereby closely contacting the inner peripheral surface of the cover member 5 and the outer peripheral surface 3a of the housing 3. Shut off.
  • the bearing gas supplied from the supply unit 100 stays in the gap 41 due to the presence of the O-ring 24 and does not leak to the outside. That is, the O-ring 24 has a sealing (sealing) performance.
  • vibration may occur due to a swing around the tip 1a of the rotary shaft 1 to which the cup 80 is mounted.
  • vibration is transmitted to the O-ring 24 engaged with each of the grooves 61 to 63, the O-ring is deformed due to its elasticity.
  • the O-ring 24 can absorb vibrations by being deformed.
  • the O-ring 24 has a damping performance.
  • the bearing gas supplied from the bearing gas supply port 9 by the supply unit 100 flows into the gap 42 through the bearing supply passage 10.
  • a bearing journal bearing 7
  • the journal bearing 7 is a static pressure gas bearing and supports the rotary shaft 1 in the radial direction.
  • the bearing gas supplied from the bearing gas supply port 9 by the supply unit 100 flows into the gap 43 through the bearing supply passage 10.
  • a bearing thrust bearing 8
  • the thrust bearing 8 is a static pressure gas bearing and supports the rotating shaft 1 in the thrust direction.
  • a bearing air supply path 57 is formed inside the nozzle plate 6.
  • One end of the bearing air supply passage 57 communicates with the bearing gas air supply port 55 of the nozzle plate 6, and the other end communicates with the inside of the bearing member 50.
  • Gas (referred to as bearing gas) is supplied from the supply unit 101 to the bearing gas supply port 55.
  • Supply unit 101 is, for example, an air compressor.
  • the bearing gas is, for example, compressed air.
  • the supply unit 101 may also be used as the supply unit 100. In this case, the bearing air supply path 57 and the bearing air supply path 10 may communicate with each other.
  • the bearing member 50 is arrange
  • the bearing gas supplied from the bearing gas supply port 55 is connected to the bearing air supply path. 57 and the inside of the bearing member 50 flows in.
  • a bearing thrust bearing 51
  • the thrust bearing 51 is a static pressure gas bearing and supports the rotary shaft 1 in the thrust direction.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the bearing member 50 according to the present embodiment.
  • a thrust gap 52 is formed in the thrust direction between the rear end face 50 b located on the opposite side of the front end face 50 a in the bearing member 50 and the nozzle plate 6.
  • the front end face 50a corresponds to one embodiment of the “first end face”
  • the rear end face 50b corresponds to one embodiment of the “second end face”.
  • the bearing member 50 has an outer peripheral surface 50c and an outer peripheral surface 50d as outer peripheral surfaces in the thrust direction.
  • the diameter of the circular cross section of the bearing member 50 corresponding to the outer peripheral surface 50c is defined as a diameter D1. That is, the diameter D1 is a length between the one outer peripheral surface 50c and the other outer peripheral surface 50c facing each other in the radial direction.
  • the diameter of the circular cross section of the bearing member 50 corresponding to the outer peripheral surface 50d is defined as a diameter D2. That is, the diameter D2 is a length between one outer peripheral surface 50d and the other outer peripheral surface 50d in the radial direction.
  • the diameter D2 is longer than the diameter D1, and the outer peripheral surface 50d is located closer to the outer peripheral side than the outer peripheral surface 50c.
  • a side wall 50e extends in the radial direction from the outer peripheral surface 50c to the outer peripheral surface 50d.
  • the length of the side wall 50e in the radial direction is a length D3.
  • the side wall 50 e is located in front of the bearing air supply path 57.
  • a plurality of O-rings 24 are arranged between the outer peripheral surface 50 c of the bearing member 50 and the inner peripheral surface of the nozzle plate 6.
  • the O-ring 24 a positioned in front of the bearing air supply path 57 is in contact with the inner peripheral surface of the nozzle plate 6, the outer peripheral surface 50 c of the bearing member 50, and the side wall 50 e of the bearing member 50.
  • the O-ring 24 b positioned on the rear side of the bearing air supply path 57 is provided on each of the inner peripheral surface of the nozzle plate 6, the end surface in the thrust direction of the nozzle plate 6, and the outer peripheral surface 50 c of the bearing member 50. It is arranged to touch.
  • the diameter D4 of the cross section of the O-ring 24 (24a, 24b) in an unloaded state is longer than the length D3 of the side wall 50e. Therefore, the O-ring 24 is disposed between the outer peripheral surface 50 c of the bearing member 50 and the inner peripheral surface of the nozzle plate 6, so that the distance between the outer peripheral surface 50 d of the bearing member 50 and the inner peripheral surface of the nozzle plate 6 is increased. A radial gap 53 is formed.
  • the thrust gap 52 is formed in the thrust direction, and the radial gap 53 is formed in the radial direction. For this reason, the bearing member 50 is not fixed to the nozzle plate 6.
  • the bearing gas supplied from the bearing gas supply port 55 flows into the bearing member 50 through the bearing supply passage 57. Then, the bearing gas tries to push out the O-ring 24 disposed between the bearing member 50 and the nozzle plate 6 in a low pressure direction (a direction away from the bearing air supply passage 57).
  • the O-ring 24a is pushed out by the bearing gas, and tries to push the side wall 50e forward while contacting the side wall 50e of the bearing member 50. At this time, the O-ring 24a is in close contact with the inner peripheral surface of the nozzle plate 6, the outer peripheral surface 50c of the bearing member 50, and the side wall 50e of the bearing member 50.
  • the O-ring 24b is pushed out by the bearing gas, but does not move any more after contacting the end face of the nozzle plate 6 in the thrust direction. At this time, the O-ring 24 b is in close contact with the inner peripheral surface of the nozzle plate 6, the end surface of the nozzle plate 6 in the thrust direction, and the outer peripheral surface 50 c of the bearing member 50.
  • the thrust bearing 51 is formed when the bearing gas flows between the front end surface 50 a of the bearing member 50 and the rear end portion 1 b of the rotary shaft 1.
  • the driving gas is supplied from the driving gas supply port 12 to the driving supply nozzle 14 through the driving supply passage 13.
  • the driving gas supplied to the driving air supply nozzle 14 is directed in a direction substantially parallel to the tangential direction (rotational direction) of the thrust plate 1d toward the rotary blade 15 of the thrust plate 1d of the rotary shaft 1. Erupted.
  • the driving gas ejected to the rotary blade 15 changes its direction by flowing along the R-shaped portion 21 a and is exhausted to the outside through the exhaust passage 21 and the exhaust space 20 through the exhaust hole 11.
  • the reaction force of the force applied to the driving gas acts on the rotary blade 15, and the thrust plate portion 1d of the rotary shaft 1 is given rotational torque. Thereby, the rotating shaft 1 rotates along the rotation direction.
  • the rotation speed of the rotating shaft 1 can be set to, for example, tens of thousands rpm or more.
  • the air turbine drive spindle 200 is suitable for a spindle for an electrostatic coating machine, for example.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of an air turbine drive spindle 300 according to a reference example.
  • the configuration and operation of the air turbine drive spindle 300 according to the reference example that are different from those of the air turbine drive spindle 200 according to the present embodiment will be described.
  • the bearing member 150 As shown in FIG. 4, the bearing member 150 according to the reference example is disposed on the rear end 1b side of the rotary shaft 1 and supports the rotary shaft 1 in the thrust direction. Between the front end face 150a facing the rotary shaft 1 in the bearing member 150 and the rear end portion 1b of the rotary shaft 1, the bearing gas supplied from the bearing gas supply port 55 is connected to the bearing supply passage. 57 and the inside of the bearing member 150.
  • a bearing thrust bearing 151
  • the thrust bearing 151 is a static pressure gas bearing and supports the rotary shaft 1 in the thrust direction.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a bearing member 150 according to a reference example while the rotary shaft 1 is rotating.
  • the bearing member 150 is connected to the nozzle plate 6 of the outer member 65, and the bearing member 150 is fixed by the nozzle plate 6 of the outer member 65.
  • the rear end face 150 b located on the opposite side of the front end face 150 a in the bearing member 150 is connected to the nozzle plate 6 of the outer member 65.
  • the outer peripheral surface of the bearing member 150 is also connected to the nozzle plate 6 of the outer member 65.
  • the bearing member 50 is not fixed in direct contact with the nozzle plate 6 (outer member 65).
  • the bearing member 50 is configured to be supported in the radial direction by the elastic force of the O-ring 24 disposed between the nozzle plate 6 and the nozzle plate 6.
  • a thrust gap 52 is formed between the rear end surface 50b of the bearing member 50 and the nozzle plate 6, and the thrust gap 52 is configured to be secured even when the rotary shaft 1 is rotating. Has been.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the bearing member 50 according to the present embodiment while the rotary shaft 1 is rotating.
  • the bearing member 50 is supported in the radial direction by the elastic force of the O-ring 24 disposed between the bearing member 50 and the nozzle plate 6 without being fixed to the nozzle plate 6 (outer member 65). Is done. Further, a thrust gap 52 is formed between the rear end surface 50 b of the bearing member 50 and the nozzle plate 6.
  • the O-ring 24a is pushed forward by the supply pressure of the bearing gas supplied from the bearing gas supply port 55.
  • the extruded O-ring 24a tries to push the side wall 50e forward while contacting the side wall 50e of the bearing member 50.
  • the bearing member 50 No pressing force is applied to. That is, when the bearing gas presses the O-ring 24a to the front side, the bearing member 50 is pressed toward the rotating shaft 1 side. For this reason, as shown in FIG. 3, the bearing member 50 can move following the movement of the rotating shaft 1 during rotation.
  • the bearing member 50 is configured such that the pressing force of the O-ring 24a by the supply air pressure is applied to the side wall 50e located on the front side of the bearing supply passage 57, so that the rear end surface 50b of the bearing member 50 is It is configured to be movable in a direction away from the nozzle plate 6. For this reason, as shown in FIG. 3, even if the rotating shaft 1 is rotating, the thrust gap 52 is ensured by the extrusion of the O-ring 24a by the supply pressure of the bearing gas.
  • the bearing member 50 moves following the movement of the rotating rotating shaft 1 and the thrust gap 52 is secured. Therefore, even when the rotary shaft 1 moves greatly due to high-speed rotation or the like, the front end surface 50a of the bearing member 50 and the rear end portion 1b of the rotary shaft 1 do not contact each other, and the rear end surface 50b of the bearing member 50 and the nozzle plate 6 does not come into contact. Further, since a constant pressing force is applied to the bearing member 50 on the front side, a gap in the thrust bearing 51 can be secured with a certain width. For this reason, the sealing performance can be maintained without increasing the inflow amount of the driving gas into the gap in the thrust bearing 51. Thereby, the air turbine drive spindle 200 can rotate the rotating shaft 1 stably at high speed.
  • the range of choices for the material constituting the bearing member 50 is widened.
  • finish processing is performed so that the specified dimensional tolerance is obtained after shrink fitting or bonding to the bearing member 150. It is necessary to perform in-situ processing.
  • a material which comprises the bearing member 150 a copper-type material with good workability is used, for example.
  • carbon (graphite) may be used as a material constituting the bearing member 150. That is, in the air turbine drive spindle 300 according to the reference example, the material constituting the bearing member 150 is extremely limited.
  • the bearing member 50 and the nozzle plate 6 are not fixed, so the material constituting the bearing member 50 can be freely selected.
  • the material constituting the bearing member 50 can be freely selected.
  • materials such as carbon (graphite), resin, non-ferrous metal, and iron-based material (iron-based alloy such as stainless steel and steel) is selectively used as the material constituting the bearing member 50. May be included.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a bearing member 250 according to a modification.
  • the air turbine drive spindle which concerns on a modification is provided with the structure similar to the structure with which the air turbine drive spindle 200 which concerns on this Embodiment is provided about structures other than the structure demonstrated below.
  • the air turbine drive spindle 200 includes a side wall 50e on the front side of the bearing air supply path 57, and a bearing air supply path.
  • the rear side of 57 is configured not to include a side wall to which supply pressure is applied, and the bearing member 50 is pressed to the front side by applying a pressing force to the side wall 50e.
  • the thrust gap 52 was ensured even during rotation.
  • the configuration for securing the thrust gap 52 during the rotation of the rotating shaft 1 may be other configurations.
  • the air turbine drive spindle may include a bearing member 250 shown in FIG.
  • the bearing member 250 includes an outer peripheral surface 250f, an outer peripheral surface 250d, and an outer peripheral surface 250c as outer peripheral surfaces in the thrust direction.
  • the diameter of the circular cross section of the bearing member 250 corresponding to the outer peripheral surface 250f is defined as a diameter D21. That is, the diameter D21 is a length between one outer peripheral surface 250f and the other outer peripheral surface 250f facing each other in the radial direction.
  • the diameter of the circular cross section of the bearing member 250 corresponding to the outer peripheral surface 250d is defined as a diameter D22.
  • the diameter D22 is the length between the one outer peripheral surface 250d and the other outer peripheral surface 250d in the radial direction.
  • the diameter of the circular cross section of the bearing member 250 corresponding to the outer peripheral surface 250c is defined as a diameter D23. That is, the diameter D23 is a length between the one outer peripheral surface 250c and the other outer peripheral surface 250c facing each other in the radial direction.
  • the diameter D22 is longer than the diameter D21, and the outer peripheral surface 250d is located on the outer peripheral side with respect to the outer peripheral surface 250f.
  • the diameter D21 is longer than the diameter D23, and the outer peripheral surface 250f is located on the outer peripheral side with respect to the outer peripheral surface 250c.
  • Side wall 250e extends in the radial direction from outer peripheral surface 250c to outer peripheral surface 250d.
  • the length of the side wall 250e in the radial direction is a length D24.
  • the side wall 250e is located in front of the bearing air supply path 57.
  • a side wall 250g extends in the radial direction from the outer peripheral surface 250c to the outer peripheral surface 250f.
  • the length of the side wall 250g in the radial direction is a length D26.
  • the side wall 250g is located on the rear side of the bearing air supply path 57.
  • the length D24 of the side wall 250e is longer than the length D26 of the side wall 250g.
  • an O-ring 24c is disposed between the outer peripheral surface 250c of the bearing member 250 and the inner peripheral surface of the nozzle plate 6, an O-ring 24c is disposed.
  • the O-ring 24 c is disposed so as to contact each of the inner peripheral surface of the nozzle plate 6, the outer peripheral surface 250 c of the bearing member 250, and the side wall 250 e of the bearing member 250.
  • An O-ring 24 d is disposed between the outer peripheral surface 250 f of the bearing member 250 and the nozzle plate 6.
  • the O-ring 24 d is disposed so as to contact each of the inner peripheral surface of the nozzle plate 6, the end surface of the nozzle plate 6 in the thrust direction, and the outer peripheral surface 250 f of the bearing member 250.
  • the diameter D25 of the cross section of the O-ring 24d is longer than the length D24 of the side wall 250e. For this reason, the O-ring 24d is disposed between the outer peripheral surface 250c of the bearing member 250 and the inner peripheral surface of the nozzle plate 6, so that the gap between the outer peripheral surface 250d of the bearing member 250 and the inner peripheral surface of the nozzle plate 6 is increased. A radial gap 253 is formed at the end.
  • the thrust gap 252 is formed in the thrust direction, and the radial gap 253 is formed in the radial direction. For this reason, the bearing member 250 is not fixed to the nozzle plate 6.
  • the area where the supply air pressure is applied to the side wall 250e located on the front side of the bearing air supply path 57 is the side wall 250g located on the rear side of the bearing air supply path 57. It is larger than the area where supply air pressure is applied.
  • the pressing force on the side wall 250e located on the front side becomes stronger than the pressing force on the side wall 250g located on the rear side, thereby pressing the bearing member 250 forward.
  • the rear end face 250b of the bearing member 250 is configured to be movable in a direction away from the nozzle plate 6. Thereby, even if the rotating shaft 1 is rotating, the thrust clearance 252 is ensured by the supply pressure of the bearing gas.
  • the side wall 250e is provided on the front side of the bearing air supply path 57, and the air supply pressure is also provided on the rear side of the bearing air supply path 57. You may comprise so that the side wall 250g which hangs may be provided. In this case, the thrust gap 252 is secured if the area of the side wall 250e where the supply air pressure is applied is larger than the area of the side wall 250g where the supply air pressure is applied.
  • the present invention is particularly advantageously applied to an air turbine drive spindle used in an electrostatic coating apparatus or the like.

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Abstract

エアタービン駆動スピンドル（２００）は、回転軸（１）と、軸受部材（５０）と、外側部材（６５）と、Ｏリング（２４）とを備える。Ｏリング（２４）は、外側部材（６５）に対して軸受部材（５０）を回転軸（１）のラジアル方向に支持する。回転軸（１）の前側端面（５０ａ）と回転軸（１）の後端部（１ｂ）との間には、回転軸（１）をスラスト方向に支持するスラスト軸受（５１）が形成されている。軸受部材（５０）は、回転軸（１）の回転中において、後側端面（５０ｂ）と外側部材（６５）との間に形成されたスラスト隙間（５２）を確保するように構成されている。

Description

エアタービン駆動スピンドル
　この発明は、静電塗装装置などに適用されるエアタービン駆動スピンドルに関する。
　従来、精密加工機や静電塗装装置に用いられるエアタービン駆動スピンドルが知られている。たとえば、特開平９－７２３３８号公報は、回転軸を回転可能に支持する軸受部材がハウジング内に保持されたスピンドルを開示している。軸受部材とハウジングとの間には、Ｏリングが配置されており、軸受部材は、Ｏリングの弾性力によって回転軸のラジアル方向に支持されている。軸受部材の一方の端面は、回転軸のフランジの端面に面しており、両端面の間には、回転軸をスラスト方向に支持するスラスト軸受が形成されている。軸受部材の他方の端面は、ハウジングのサイドカバーの端面に面しており、両端面の間には、スラスト方向隙間が形成されている。
特開平９－７２３３８号公報
　上述したような構成を備える従来のスピンドルでは、回転軸が回転したときにスラスト方向隙間の範囲内で軸受部材が移動することで、スラスト方向の振動を吸収することができる。しかし、高速回転などによって回転軸が大きく動いた場合、軸受部材の移動範囲も大きくなる。このような場合において、軸受部材がスラスト方向隙間の範囲を超えて移動してしまうと、軸受部材がハウジングに接触する虞が生じる。したがって、従来のスピンドルでは、回転軸を安定して高速回転させることができなかった。
　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、回転軸を安定して高速回転させることができるエアタービン駆動スピンドルを提供することである。
　本発明に係るエアタービン駆動スピンドルは、回転軸と、軸受部材と、外側部材と、Ｏリングとを備える。回転軸は、先端部と先端部の反対側に位置する後端部とを有する。軸受部材は、回転軸の後端部側に配置され、回転軸をスラスト方向に支持する。外側部材は、軸受部材の少なくとも一部を取り囲む。Ｏリングは、外側部材と軸受部材との間に配置され、外側部材に対して軸受部材を回転軸のラジアル方向に支持する。軸受部材において回転軸に面する第１端面と、回転軸の後端部との間には、回転軸をスラスト方向に支持するスラスト軸受が形成されている。軸受部材において第１端面の反対側に位置する第２端面と、外側部材との間には、スラスト方向に隙間が形成されている。軸受部材は、回転軸の回転中に隙間を確保するように構成されている。
　本発明によれば、回転軸を安定して高速回転させることができるエアタービン駆動スピンドルを得ることができる。
本実施の形態に係るエアタービン駆動スピンドルの断面模式図である。 本実施の形態に係る軸受部材を示す断面模式図である。 回転軸の回転中における本実施の形態に係る軸受部材を示す断面模式図である。 参考例に係るエアタービン駆動スピンドルの断面模式図である。 回転軸の回転中における参考例に係る軸受部材を示す断面模式図である。 変形例に係る軸受部材を示す断面模式図である。
　以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰り返さない。
　（本実施の形態）
　＜エアタービン駆動スピンドルの構成＞
　図１を参照しながら、本実施の形態に係るエアタービン駆動スピンドル２００の構成について説明する。図１は、本実施の形態に係るエアタービン駆動スピンドル２００の断面模式図である。
　エアタービン駆動スピンドル２００は、先端部１ａと先端部の反対側に位置する後端部１ｂとを有する回転軸１と、回転軸１を回転可能に支持するハウジングアッシ２と、回転軸１の後端部１ｂ側に配置された軸受部材５０と、回転軸１とハウジングアッシ２と軸受部材５０とを取り囲む外側部材６５とを備える。
　回転軸１は、円筒形状を有する軸部１ｃと、軸部１ｃに対してラジアル方向（径方向）に延びるように形成されたスラスト板部１ｄとを含む。スラスト板部１ｄは、スラスト方向（軸方向）において軸部１ｃの後端部１ｂ側に形成されている。以下、スラスト方向において、回転軸１の先端部１ａ側を「前側」、回転軸１の後端部１ｂ側を「後側」という。
　軸部１ｃおよびスラスト板部１ｄには、スラスト方向に延びる貫通孔１７が形成されている。エアタービン駆動スピンドル２００が静電塗装機用に構成されている場合には、回転軸１の先端部１ａ側に円錐形のカップ８０が取り付けられる。貫通孔１７の内部にはカップ８０に塗料を供給するための塗料供給管４５が配置される。
　なお、本実施の形態に係るエアタービン駆動スピンドル２００は、カップおよび塗料供給管４５が配置されているが、カップおよび塗料供給管４５のいずれか一方、もしくは両方が配置されていなくてもよい。
　スラスト板部１ｄには、回転翼１５および回転翼１５の内周側に配置される被回転検出部（図示せず）が形成されている。
　回転軸１のスラスト板部１ｄは、ラジアル方向において外周側に位置する領域が回転中心軸側（中央側）に位置する領域（厚肉部）よりもスラスト方向における厚みが薄い領域（薄肉部）を有している。厚肉部は、貫通孔１７を囲むように形成されている。薄肉部は、厚肉部を囲むように形成されている。
　回転翼１５は、スラスト板部１ｄの薄肉部上において、後側に位置する面からスラスト方向において前側へ延びるように形成されている。回転軸１は、後述する駆動用気体給気口１２を介して駆動用気体供給部（図示せず）から噴出された気体（駆動用気体という）を回転翼１５が受けることで回転可能である。駆動用気体は、たとえば圧縮空気である。
　複数の回転翼１５は、回転軸１の回転方向に互いに間隔を隔てて設けられている。好ましくは、複数の回転翼１５において隣り合う回転翼１５は等間隔に設けられている。複数の回転翼１５は、スラスト板部１ｄの外周に沿って配置されている。複数の回転翼１５のスラスト方向に垂直な断面形状は任意の形状であればよい。たとえば、当該断面形状は、回転方向において前方に位置して回転方向に凸状に形成されている前方曲面部と、回転方向において後方に位置して回転方向に凸状に形成されている後方曲面部とを有している。
　スラスト板部１ｄにおいて、薄肉部と厚肉部との境界領域は、スラスト方向における厚みがゆるやかに変化するように設けられている。つまり、スラスト板部１ｄの前側に位置する面は、薄肉部と厚肉部との間に曲面を有している。回転翼１５における前側に位置する部分と厚肉部における前側に位置する部分とは、ラジアル方向に延びる同一面上に形成されている。
　スラスト板部１ｄの薄肉部において後側の面上には、被回転検出部（図示せず）が形成されている。被回転検出部は、回転軸１の回転を光学的に検出するための任意の構成を採用できるが、たとえば、回転方向において分割される複数の領域ごとに異なる反射率となるように表面処理が施されていてもよい。具体的には、薄肉部において後側に位置する面のうち、回転軸１の回転方向における半分の領域が他の半分の領域よりもレーザ光などの光が照射されたときに反射光の強度が高くなるように設けられている。
　ハウジングアッシ２は、回転軸１の少なくとも一部を収容する。ハウジングアッシ２は、ハウジング３と軸受スリーブ４とを含む。軸受スリーブ４は、回転軸１の軸部１ｃの外周面およびスラスト板部１ｄの前側の平面の各一部に面しており、軸部１ｃの一部を囲むように形成されている。ハウジング３は、ラジアル方向において軸受スリーブ４よりも外周側に配置され、軸受スリーブ４に固定されている。ハウジング３は、軸受スリーブ４の外周側から、軸部１ｃの外周面の少なくとも一部を取り囲む。
　外側部材６５は、カバー部材５とノズル板６とを含む。カバー部材５は、スラスト方向においてノズル板６に固定されている。ノズル板６は、回転軸１においてハウジングアッシ２およびカバー部材５に収容されていない部分（回転軸１の後端部１ｂ側、およびスラスト板部１ｄのラジアル方向における外周端面）を囲むように形成されている。
　ノズル板６の内部には、駆動用給気路１３および駆動用給気ノズル１４が形成されている。駆動用給気路１３は、その一方端がノズル板６の内周面上の駆動用気体給気口１２に連通し、他方端が駆動用給気ノズル１４に連通している。駆動用気体給気口１２には、駆動用気体供給部から駆動用気体が供給される。駆動用給気路１３および駆動用給気ノズル１４は、回転翼１５に駆動用気体を供給させるための流通路である。
　駆動用給気ノズル１４は、回転翼１５に対し、ラジアル方向において回転軸１の外周側から内周側に向かって駆動用気体を噴出可能である。駆動用給気路１３および駆動用給気ノズル１４は、回転方向において互いに間隔を隔てて複数形成されていてもよい。つまり、駆動用給気路１３および駆動用給気ノズル１４は、回転方向に任意の間隔を隔てて設けられている回転翼１５に対して、同一の回転方向に同時に駆動用気体を供給可能であってもよい。
　駆動用気体給気口１２は、排気路２１および排気空間２０を介して、カバー部材５に形成された排気孔１１に連通している。駆動用気体給気口１２から供給された駆動用気体は、スラスト板部１ｄが有するＲ形状部２１ａで方向を変えて排気空間２０に流入し、排気孔１１から外部に排気される。
　ここで、駆動用気体給気口１２から供給された駆動用気体が、貫通孔１７と同じ空間、または貫通孔１７に連通した空間を介して外部に排気するように構成した場合、駆動用気体が貫通孔１７に流入する虞がある。駆動用気体が貫通孔１７に流入すると、駆動用気体はカップ８０にまで到達し、塗料を押し出す虞がある。この場合、塗料の霧化の均一性が損なわれ、塗装品質が低下する虞がある。
　しかし、上述したように、排気孔１１をカバー部材５に形成して、駆動用気体をカバー部材５側から排気するように構成すれば、駆動用気体が貫通孔１７に流入することを防ぐことができる。さらに、詳しくは後述するが、貫通孔１７における回転軸１の後端部１ｂ側には、軸受部材５０が設けられているため、軸受部材５０によっても駆動用気体が貫通孔１７に流入することを防ぐことができる。
　ノズル板６には、貫通孔１７よりもラジアル方向の外周側に回転センサ挿入口１８が形成されている。回転センサ挿入口１８は、スラスト板部１ｄに設置された被回転検出部とスラスト方向において対向するように形成されている。回転センサ挿入口１８は、被回転検出部に対してレーザ光などの光を照射し、反射光を得るための回転センサを配置するために形成されている。このような構成を備えることにより、エアタービン駆動スピンドル２００では回転軸１の回転数を光学的に測定することができる。
　カバー部材５の内部には、軸受用給気路１０が形成されている。軸受用給気路１０は、その一方端がカバー部材５の外周面上の軸受用気体給気口９に連通し、他方端がハウジングアッシ２の内部に連通している。軸受用気体給気口９には、供給部１００から気体（軸受用気体という）が供給される。供給部１００は、たとえば、エアコンプレッサである。軸受用気体は、たとえば圧縮空気である。供給部１００は、駆動用気体給気口１２から駆動用気体を供給する駆動用気体供給部と兼用してもよい。
　カバー部材５と、ハウジング３との間には、空隙４１が形成されている。回転軸１の軸部１ｃと、軸受スリーブ４との間には、空隙４２が形成されている。回転軸１のスラスト板部１ｄと、軸受スリーブ４との間には、空隙４３が形成されている。軸受用給気路１０は、これら空隙４１～４３の夫々に連通している。軸受用給気路１０において空隙４２および空隙４３に連通されている部分の孔径は軸受用気体給気口９の孔径よりも小さいことによりいわゆる絞りが形成されている。
　ハウジング３の外周面３ａには、Ｏリング２４が係合する複数の溝６１～６３が形成されている。溝６１および溝６２は、スラスト方向において軸受用給気路１０を挟むように配置されている。Ｏリング２４は、弾力性を有する部材である。Ｏリング２４の材料としては、たとえば溶剤に対する耐性が高い材料を用いることが好適であり、たとえば材料として、フッ素系のゴムであるパーフロロエラストマーを用いることができる。
　供給部１００によって軸受用気体給気口９から供給された軸受用気体は、軸受用給気路１０を介して空隙４１へと流入する。そして、軸受用気体は、やがて溝６１および溝６２へと到達する。溝６１および溝６２へと到達した軸受用気体は、溝６１および溝６２のそれぞれに係合するＯリング２４を圧力の低い方向（軸受用給気路１０から離れる方向）に押し出す。溝６１および溝６２のそれぞれに係合するＯリング２４は、軸受用気体によって押し出されることで、カバー部材５の内周面とハウジング３の外周面３ａとに密着し、軸受用気体の流路を遮断する。
　このように、供給部１００から供給された軸受用気体は、Ｏリング２４の存在によって空隙４１内で滞留し、外部に漏れない。つまり、Ｏリング２４は、シール（密封）性能を有する。
　エアタービン駆動スピンドル２００が作動すると、カップ８０が装着された回転軸１の先端部１ａ側での振れ回りにより振動が発生する場合がある。溝６１～６３のそれぞれに係合するＯリング２４に振動が伝わると、その弾力性から、Ｏリングが変形する。Ｏリング２４は、変形することで振動を吸収することができる。このように、Ｏリング２４は、減衰性能を有する。
　供給部１００によって軸受用気体給気口９から供給された軸受用気体は、軸受用給気路１０を介して空隙４２へと流入する。軸受用気体が空隙４２に供給されると、静圧作用によって軸受（ジャーナル軸受７）が形成される。ジャーナル軸受７は、静圧気体軸受であり、回転軸１をラジアル方向に支持する。
　供給部１００によって軸受用気体給気口９から供給された軸受用気体は、軸受用給気路１０を介して空隙４３へと流入する。軸受用気体が空隙４３に供給されると、静圧作用によって軸受（スラスト軸受８）が形成される。スラスト軸受８は、静圧気体軸受であり、回転軸１をスラスト方向に支持する。
　ノズル板６の内部には、軸受用給気路５７が形成されている。軸受用給気路５７は、その一方端がノズル板６の軸受用気体給気口５５に連通し、他方端が軸受部材５０の内部に連通している。軸受用気体給気口５５には、供給部１０１から気体（軸受用気体という）が供給される。供給部１０１は、たとえば、エアコンプレッサである。軸受用気体は、たとえば圧縮空気である。供給部１０１は、供給部１００と兼用してもよい。この場合、軸受用給気路５７と、軸受用給気路１０とが連通していてもよい。
　＜軸受部材の構成＞
　軸受部材５０は、貫通孔１７における回転軸１の後端部１ｂ側に配置され、回転軸１をスラスト方向に支持する。軸受部材５０において回転軸１に面する前側端面５０ａと、回転軸１の後端部１ｂとの間には、軸受用気体給気口５５から供給された軸受用気体が、軸受用給気路５７および軸受部材５０の内部を介して流入する。軸受部材５０の前側端面５０ａと回転軸１の後端部１ｂとの間に軸受用気体が供給されると、静圧作用によって、軸受部材５０と回転軸１との間に軸受（スラスト軸受５１）が形成される。スラスト軸受５１は、静圧気体軸受であり、回転軸１をスラスト方向に支持する。
　図２は、本実施の形態に係る軸受部材５０を示す断面模式図である。図２に示すように、軸受部材５０において前側端面５０ａの反対側に位置する後側端面５０ｂと、ノズル板６との間には、スラスト方向にスラスト隙間５２が形成されている。なお、前側端面５０ａは、「第１端面」の一実施形態に対応し、後側端面５０ｂは、「第２端面」の一実施形態に対応する。
　軸受部材５０は、スラスト方向の外周面として、外周面５０ｃと、外周面５０ｄとを有する。外周面５０ｃに対応する軸受部材５０の円断面の直径を、直径Ｄ１とする。つまり、直径Ｄ１は、ラジアル方向において、相対する一方の外周面５０ｃと他方の外周面５０ｃとの間の長さである。外周面５０ｄに対応する軸受部材５０の円断面の直径を、直径Ｄ２とする。つまり、直径Ｄ２は、ラジアル方向において、相対する一方の外周面５０ｄと他方の外周面５０ｄとの間の長さである。直径Ｄ２は、直径Ｄ１よりも長くなっており、外周面５０ｄは、外周面５０ｃよりも外周側に位置する。
　外周面５０ｃから外周面５０ｄに亘っては、ラジアル方向に側壁５０ｅが延びている。側壁５０ｅのラジアル方向での長さを、長さＤ３とする。側壁５０ｅは、軸受用給気路５７よりも前側に位置する。
　軸受部材５０の外周面５０ｃと、ノズル板６の内周面との間には、複数のＯリング２４（２４ａ，２４ｂ）が配置されている。軸受部材５０において軸受用給気路５７よりも前側に位置するＯリング２４ａは、ノズル板６の内周面、軸受部材５０の外周面５０ｃ、および軸受部材５０の側壁５０ｅのそれぞれに接するように配置されている。軸受部材５０において軸受用給気路５７よりも後側に位置するＯリング２４ｂは、ノズル板６の内周面、ノズル板６のスラスト方向における端面、および軸受部材５０の外周面５０ｃのそれぞれに接するように配置されている。
　Ｏリング２４（２４ａ，２４ｂ）の無負荷状態での断面の直径Ｄ４は、側壁５０ｅの長さＤ３よりも長い。このため、軸受部材５０の外周面５０ｃとノズル板６の内周面との間にＯリング２４が配置されることで、軸受部材５０の外周面５０ｄとノズル板６の内周面との間にラジアル隙間５３が形成される。
　このように、軸受部材５０は、スラスト方向にスラスト隙間５２が形成されるとともに、ラジアル方向にラジアル隙間５３が形成される。このため、軸受部材５０は、ノズル板６に固定されない。
　軸受用気体給気口５５から供給された軸受用気体は、軸受用給気路５７を介して軸受部材５０の内部に流入する。そして、軸受用気体は、軸受部材５０とノズル板６との間に配置されたＯリング２４を圧力の低い方向（軸受用給気路５７から離れる方向）に押し出そうとする。
　Ｏリング２４ａは、軸受用気体によって押し出されることで、軸受部材５０の側壁５０ｅに接しながら側壁５０ｅを前側に押し出そうとする。このとき、Ｏリング２４ａは、ノズル板６の内周面、軸受部材５０の外周面５０ｃ、および軸受部材５０の側壁５０ｅのそれぞれに密着する。一方、Ｏリング２４ｂは、軸受用気体によって押し出されるが、ノズル板６のスラスト方向における端面に接した後、それ以上動かない。このとき、Ｏリング２４ｂは、ノズル板６の内周面、ノズル板６のスラスト方向における端面、および軸受部材５０の外周面５０ｃのそれぞれに密着する。このように、Ｏリング２４が配置された箇所では、軸受用気体の流路が遮断される。そして、軸受部材５０の前側端面５０ａと回転軸１の後端部１ｂとの間に軸受用気体が流入することで、スラスト軸受５１が形成される。
　＜エアタービン駆動スピンドルの動作＞
　次に、本実施の形態に係るエアタービン駆動スピンドル２００の動作について説明する。
　図１に示すように、エアタービン駆動スピンドル２００が動作すると、駆動用気体は、駆動用気体給気口１２から駆動用給気路１３を通じて駆動用給気ノズル１４に供給される。駆動用給気ノズル１４に供給された駆動用気体は、回転軸１のスラスト板部１ｄの回転翼１５に向けて、スラスト板部１ｄの接線方向（回転方向）とほぼ平行な方向に沿って噴出される。回転翼１５に噴出された駆動用気体は、Ｒ形状部２１ａに沿って流れることで向きを変えられ、排気路２１および排気空間２０を経由して排気孔１１から外部に排気される。
　回転翼１５には駆動用気体に与えた力の反力が作用し、回転軸１のスラスト板部１ｄは回転トルクを与えられる。これにより、回転軸１は回転方向に沿って回転する。回転軸１の回転数は、たとえば数万ｒｐｍ以上とすることができる。このため、エアタービン駆動スピンドル２００は、たとえば静電塗装機用スピンドルに好適である。
　（参考例）
　次に、参考例に係るエアタービン駆動スピンドル３００の構成について説明する。図４は、参考例に係るエアタービン駆動スピンドル３００の断面模式図である。なお、以下では、参考例に係るエアタービン駆動スピンドル３００について、本実施の形態に係るエアタービン駆動スピンドル２００と異なる構成および動作のみ説明する。
　図４に示すように、参考例に係る軸受部材１５０は、回転軸１の後端部１ｂ側に配置され、回転軸１をスラスト方向に支持する。軸受部材１５０において回転軸１に面する前側端面１５０ａと、回転軸１の後端部１ｂとの間には、軸受用気体給気口５５から供給された軸受用気体が、軸受用給気路５７および軸受部材１５０の内部を介して流入する。軸受部材１５０の前側端面１５０ａと回転軸１の後端部１ｂとの間に駆動用気体が供給されると、静圧作用によって、軸受部材１５０と回転軸１との間に軸受（スラスト軸受１５１）が形成される。スラスト軸受１５１は、静圧気体軸受であり、回転軸１をスラスト方向に支持する。
　図５は、回転軸１の回転中における参考例に係る軸受部材１５０を示す断面模式図である。図５に示すように、軸受部材１５０は、外側部材６５のノズル板６に接続されており、軸受部材１５０は、外側部材６５のノズル板６によって固定されている。具体的には、軸受部材１５０において前側端面１５０ａの反対側に位置する後側端面１５０ｂは、外側部材６５のノズル板６に接続されている。また、軸受部材１５０の外周面も、外側部材６５のノズル板６に接続されている。このため、参考例に係るエアタービン駆動スピンドル３００では、回転軸１が回転の中心軸に対して傾いても、軸受部材１５０が回転中の回転軸１の動きに追従しない。
　ここで、図５に示すように、高速回転などによって回転軸１が大きく動いた場合、ノズル板６に固定された軸受部材１５０の前側端面１５０ａと、回転軸１の後端部１ｂとが接触する虞がある。その結果、参考例に係るエアタービン駆動スピンドル３００は、回転軸１を安定して高速回転させることができない。また、軸受部材１５０の前側端面１５０ａと、回転軸１の後端部１ｂとが接触しないように、前側端面１５０ａと後端部１ｂとの隙間を大きく開けることも考えられるが、この場合、駆動用気体の流入量を増加させなければならず、シール性能を維持することが難しくなる。さらに、ハウジングアッシ２は、Ｏリング２４でカバー部材５に支持されているため、スラスト軸受１５１における隙間を一定の幅で確保することも難しい。
　そこで、図１および図２に示す本実施の形態に係るエアタービン駆動スピンドル２００においては、軸受部材５０がノズル板６（外側部材６５）に直接的に接触して固定されず、軸受部材５０とノズル板６との間に配置されたＯリング２４の弾性力によって軸受部材５０がラジアル方向に支持されるように構成されている。さらに、軸受部材５０の後側端面５０ｂとノズル板６との間にはスラスト隙間５２が形成されており、そのスラスト隙間５２は、回転軸１が回転中であっても確保されるように構成されている。
　＜作用効果＞
　図３を参照しながら、本実施の形態に係るエアタービン駆動スピンドル２００が奏する作用効果について説明する。図３は、回転軸１の回転中における本実施の形態に係る軸受部材５０を示す断面模式図である。
　上述したように、軸受部材５０は、ノズル板６（外側部材６５）に固定されることなく、軸受部材５０とノズル板６との間に配置されたＯリング２４の弾性力によってラジアル方向に支持される。さらに、軸受部材５０の後側端面５０ｂとノズル板６との間にはスラスト隙間５２が形成されている。
　また、Ｏリング２４ａは、軸受用気体給気口５５から供給された軸受用気体の給気圧力によって前側に押し出される。押し出されたＯリング２４ａは、軸受部材５０の側壁５０ｅに接しながら側壁５０ｅを前側に押し出そうとする。一方、Ｏリング２４ｂは、スラスト方向において軸受部材５０と接していないため、軸受用気体給気口５５から供給された軸受用気体の給気圧力によって後側に押し出されたとしても、軸受部材５０には押圧力が掛からない。つまり、軸受用気体がＯリング２４ａを前側に押圧することで、軸受部材５０は、回転軸１側に向けて押圧される。このため、図３に示すように、軸受部材５０は、回転中の回転軸１の動きに追従して動くことができる。
　このように、軸受部材５０は、軸受用給気路５７よりも前側に位置する側壁５０ｅに対して給気圧力によるＯリング２４ａの押圧力が掛かることで、軸受部材５０の後側端面５０ｂがノズル板６から遠ざかる方向に移動可能に構成されている。このため、図３に示すように、回転軸１が回転中であっても、軸受用気体の給気圧力によるＯリング２４ａの押し出しによって、スラスト隙間５２が確保される。
　以上のように、回転軸１が回転したときには、軸受部材５０が回転中の回転軸１の動きに追従して動くとともに、スラスト隙間５２が確保される。したがって、高速回転などによって回転軸１が大きく動いた場合でも、軸受部材５０の前側端面５０ａと回転軸１の後端部１ｂとが接触せず、かつ軸受部材５０の後側端面５０ｂとノズル板６とが接触することもない。さらに、軸受部材５０に対して前側に一定の押圧力が掛かることで、スラスト軸受５１における隙間を一定の幅で確保することができる。このため、スラスト軸受５１における隙間に駆動用気体の流入量を増加させることなく、シール性能を維持することができる。これにより、エアタービン駆動スピンドル２００は、回転軸１を安定して高速回転させることができる。
　さらに、参考例に係るエアタービン駆動スピンドル３００では、軸受部材１５０とノズル板６とを合わせるために両者の寸法公差を厳密に規定する必要がある。これに対して、本実施の形態に係るエアタービン駆動スピンドル２００では、軸受部材５０とノズル板６とが固定されていないため、両者の寸法公差を厳密に規定する必要がなく、軸受部材５０の加工工程を簡略化することができ、コスト削減効果も期待できる。
　また、軸受部材５０を構成する材料についても選択の幅が広がる。たとえば、参考例に係るエアタービン駆動スピンドル３００では、軸受部材１５０とノズル板６とを合わせるため、軸受部材１５０に焼き嵌めや接着をしてから規定の寸法公差になるように仕上げ加工を行ったり、現合加工を行ったりする必要がある。このため、軸受部材１５０を構成する材料としては、たとえば、加工性の良い銅系材料が用いられる。あるいは、軸受部材１５０と回転軸１との接触による焼き付きを防止することを考慮すると、軸受部材１５０を構成する材料としてはカーボン（黒鉛）が用いられることもある。つまり、参考例に係るエアタービン駆動スピンドル３００では、軸受部材１５０を構成する材料が極めて限られている。
　これに対して、本実施の形態に係るエアタービン駆動スピンドル２００では、軸受部材５０とノズル板６とが固定されていないため、軸受部材５０を構成する材料を自由に選択できる。たとえば、軸受部材５０を構成する材料には、カーボン（黒鉛）、樹脂、非鉄金属、鉄系材料（ステンレスおよび鋼などの鉄基合金）など、いずれかの材料のうちの少なくとも１つを選択的に含んでいてもよい。
　＜変形例＞
　図６を参照しながら、図１～図３に示したエアタービン駆動スピンドル２００の変形例を説明する。図６は、変形例に係る軸受部材２５０を示す断面模式図である。なお、変形例に係るエアタービン駆動スピンドルは、以下で説明する構成以外の構成について、本実施の形態に係るエアタービン駆動スピンドル２００が備える構成と同様の構成を備える。
　図１～図３に示すように、本実施の形態に係るエアタービン駆動スピンドル２００は、軸受用給気路５７よりも前側に給気圧力が掛かる側壁５０ｅを備える一方で、軸受用給気路５７よりも後側には給気圧力が掛かる側壁を備えないように構成されており、側壁５０ｅに対して押圧力が掛かることで軸受部材５０が前側に押圧され、その結果、回転軸１の回転中であってもスラスト隙間５２を確保するものであった。しかし、回転軸１の回転中にスラスト隙間５２を確保する構成は、その他の構成であってもよい。
　たとえば、変形例に係るエアタービン駆動スピンドルは、図６に示す軸受部材２５０を備えていてもよい。図６に示すように、軸受部材２５０は、スラスト方向の外周面として、外周面２５０ｆと、外周面２５０ｄと、外周面２５０ｃとを有する。外周面２５０ｆに対応する軸受部材２５０の円断面の直径を、直径Ｄ２１とする。つまり、直径Ｄ２１は、ラジアル方向において、相対する一方の外周面２５０ｆと他方の外周面２５０ｆとの間の長さである。外周面２５０ｄに対応する軸受部材２５０の円断面の直径を、直径Ｄ２２とする。つまり、直径Ｄ２２は、ラジアル方向において、相対する一方の外周面２５０ｄと他方の外周面２５０ｄとの間の長さである。外周面２５０ｃに対応する軸受部材２５０の円断面の直径を、直径Ｄ２３とする。つまり、直径Ｄ２３は、ラジアル方向において、相対する一方の外周面２５０ｃと他方の外周面２５０ｃとの間の長さである。直径Ｄ２２は、直径Ｄ２１よりも長くなっており、外周面２５０ｄは、外周面２５０ｆよりも外周側に位置する。また、直径Ｄ２１は、直径Ｄ２３よりも長くなっており、外周面２５０ｆは、外周面２５０ｃよりも外周側に位置する。
　外周面２５０ｃから外周面２５０ｄに亘っては、ラジアル方向に側壁２５０ｅが延びている。側壁２５０ｅのラジアル方向での長さを、長さＤ２４とする。側壁２５０ｅは、軸受用給気路５７よりも前側に位置する。外周面２５０ｃから外周面２５０ｆに亘っては、ラジアル方向に側壁２５０ｇが延びている。側壁２５０ｇのラジアル方向での長さを、長さＤ２６とする。側壁２５０ｇは、軸受用給気路５７よりも後側に位置する。側壁２５０ｅの長さＤ２４は、側壁２５０ｇの長さＤ２６よりも長い。
　軸受部材２５０の外周面２５０ｃと、ノズル板６の内周面との間には、Ｏリング２４ｃが配置されている。Ｏリング２４ｃは、ノズル板６の内周面、軸受部材２５０の外周面２５０ｃ、および軸受部材２５０の側壁２５０ｅのそれぞれに接するように配置されている。軸受部材２５０の外周面２５０ｆと、ノズル板６との間には、Ｏリング２４ｄが配置されている。Ｏリング２４ｄは、ノズル板６の内周面、ノズル板６のスラスト方向における端面、および軸受部材２５０の外周面２５０ｆのそれぞれに接するように配置されている。
　Ｏリング２４ｄの断面の直径Ｄ２５は、側壁２５０ｅの長さＤ２４よりも長い。このため、軸受部材２５０の外周面２５０ｃとノズル板６の内周面との間にＯリング２４ｄが配置されることで、軸受部材２５０の外周面２５０ｄとノズル板６の内周面との間にラジアル隙間２５３が形成される。
　このように、軸受部材２５０は、スラスト方向にスラスト隙間２５２が形成されるとともに、ラジアル方向にラジアル隙間２５３が形成される。このため、軸受部材２５０は、ノズル板６に固定されない。
　上述した構成を備える軸受部材２５０においては、軸受用給気路５７よりも前側に位置する側壁２５０ｅにおいて給気圧力が掛かる面積は、軸受用給気路５７よりも後側に位置する側壁２５０ｇにおいて給気圧力が掛かる面積よりも大きい。
　よって、軸受部材２５０では、後側に位置する側壁２５０ｇに対する押圧力よりも前側に位置する側壁２５０ｅに対する押圧力の方が強くなることで軸受部材２５０が前側に押圧される。その結果、軸受部材２５０の後側端面２５０ｂがノズル板６から遠ざかる方向に移動可能に構成されている。これにより、回転軸１が回転中であっても、軸受用気体の給気圧力によって、スラスト隙間２５２が確保される。
　以上、変形例に係るエアタービン駆動スピンドルのように、軸受用給気路５７よりも前側に給気圧力が掛かる側壁２５０ｅを備えるとともに、軸受用給気路５７よりも後側においても給気圧力が掛かる側壁２５０ｇを備えるように構成してもよい。この場合においては、側壁２５０ｇにおいて給気圧力が掛かる面積よりも、側壁２５０ｅにおいて給気圧力が掛かる面積の方を大きくすれば、スラスト隙間２５２が確保される。
　以上のように本発明の実施の形態について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。
　本発明は、静電塗装装置などに用いられるエアタービン駆動スピンドルに特に有利に適用される。
　１　回転軸、１ａ　先端部、１ｂ　後端部、１ｃ　軸部、１ｄ　スラスト板部、２　ハウジングアッシ、３　ハウジング、４　軸受スリーブ、５　カバー部材、６　ノズル板、７　ジャーナル軸受、１１　排気孔、１２　駆動用気体給気口、１３　駆動用給気路、１４　駆動用給気ノズル、１５　回転翼、１７　貫通孔、１８　回転センサ挿入口、２０　排気空間、２１　排気路、２４　Ｏリング、４５　塗料供給管、５０　軸受部材、５１　スラスト軸受、５２　スラスト隙間、５３　ラジアル隙間、６５　外側部材、８０　カップ、１００，１０１　供給部、２００　エアタービン駆動スピンドル。

Claims (7)

  1. 　先端部と前記先端部の反対側に位置する後端部とを有する回転軸と、
    　前記回転軸の前記後端部側に配置され、前記回転軸をスラスト方向に支持する軸受部材と、
    　前記軸受部材の少なくとも一部を取り囲む外側部材と、
    　前記外側部材と前記軸受部材との間に配置され、前記外側部材に対して前記軸受部材を前記回転軸のラジアル方向に支持するＯリングとを備え、
    　前記軸受部材において前記回転軸に面する第１端面と、前記回転軸の前記後端部との間には、前記回転軸をスラスト方向に支持するスラスト軸受が形成され、
    　前記軸受部材において前記第１端面の反対側に位置する第２端面と、前記外側部材との間には、スラスト方向に隙間が形成され、
    　前記軸受部材は、前記回転軸の回転中に前記隙間を確保するように構成されている、エアタービン駆動スピンドル。
  2. 　前記スラスト軸受は、前記軸受部材の前記第１端面と前記回転軸の前記後端部との間に気体が供給されることで生じる静圧作用によって形成される、請求項１に記載のエアタービン駆動スピンドル。
  3. 　前記軸受部材は、給気圧力によって前記Ｏリングが押し出されることで、前記第２端面が前記外側部材から遠ざかる方向に移動可能に構成されている、請求項１または請求項２に記載のエアタービン駆動スピンドル。
  4. 　前記軸受部材を構成する材料には、カーボンが含まれる、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載のエアタービン駆動スピンドル。
  5. 　前記軸受部材を構成する材料には、樹脂が含まれる、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載のエアタービン駆動スピンドル。
  6. 　前記軸受部材を構成する材料には、非鉄金属が含まれる、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載のエアタービン駆動スピンドル。
  7. 　前記軸受部材を構成する材料には、鉄系材料が含まれる、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載のエアタービン駆動スピンドル。
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